ALU - Úvod

Poznámka

Obsah této stránky slouží jako úvod k principu ALU, má pouze informační povahu a není součástí zadání ALU!

Každé CPU vyžaduje ALU neboli Arithmetic Logic Unit. Jedná se o "krabičku", která dokáže různé operace jako například sčítání, odčítání, bitwise operace, atd... V této kapitole se dozvíte, co je vše potřeba v ALU obsáhnout.

Info

ALU musíte postavit do samostatného modulu, který se musí jmenovat přesně ALU. Jinak nebude možné ALU ohodnotit!

Vstupy ALU

vstup A a B - n-bitový vstup, záleží kolika bitové děláte ALU
CIN - Carry IN, 1 bitová dodatečná hodnota
SEL - Nebo taky Opcode, typicky 4 bitový, rozhoduje kolik vaše ALU umí operací

Výstupy ALU

OUTP - n-bitový výstup, záleží kolika bitové děláte ALU
HOUT - použito pro násobení, využito pro vyšší polovinu výsledku
ZERO - 1 bitová hodnota, rozhoduje jestli jsou na výstupu samé nuly
COUT - Carry OUT z operací, 1 bitová hodnota
SIGN - Znaménko hodnoty výstupu (totožné s nejvyšším bitem hodnoty)
GT, LT, EQ - Nepovinně můžeme přidat operace z komparátoru, jde nahradit pomocí odčítání a ZERO a SIGN výstupy

Důležité

Aby bylo možné vaše ALU ohodnotit, je potřeba pro tyto dráty dodržet přesně výše uvedené názvy!

UI (uživatelské rozhraní)

Pro uživatelské rozhraní můžete použít například tyhle logisim komponenty.

Komponenty vstupů

Wiring/Pin - pro 1 bitové hodnoty
Memory/Register - pro n bitové hodnoty
Input/Output/Button - tlačítko pro například operace

Komponenty výstypů

Input/Output/LED - pro 1 bitové hodnoty
Wiring/Pin - pro n bitové hodnoty
Input/Output/Hex Digit Display - pro 4 bitové hodnoty, doporučuji dost přehledné pro výstup

Příkladný main v projektu ALU může vypadat následovně.

ALU Example Main

Operace ALU (`SEL`)

Bitwise operace

Jednoduché logické gaty pro n-bitové vstupy

NOT
OR
AND
XOR

Shifty

Posune nám hodnotu buď doleva SHL, nebo doprava SHR. Pokud by hodnota utekla, tedy například na hodnotu 1000 0000 budeme chtít použít operaci SHL, tak rozsvítíme COUT na 1 a OUT bude 0000 0000.

SHL - Shift left
SHR - Shift right

Příklad SHL

A	OUT	COUT
`0000 0001`	`0000 0010`	`0`
`1000 0000`	`0000 0000`	`1`
`1011 0111`	`0110 1110`	`1`
`0101 1101`	`1011 1010`	`0`

Příklad SHR

A	OUT	COUT
`0000 0001`	`0000 0000`	`1`
`1000 0000`	`0100 0000`	`0`
`1011 0111`	`0101 1011`	`1`
`0101 1101`	`0010 1110`	`1`

Rotace

Stejné jako shifty, ale při přetečení nastavíme nejmenší hodnotu na 1. Například máme hodnotu 0000 0001 a použijeme operaci ROTR, tak nastavíme OUT na 1000 0000 a označíme COUT na 1

ROTL - Rotate left
ROTR - Rotate right

Příklad ROTL

A	OUT	COUT
`0000 0001`	`0000 0010`	`0`
`1000 0000`	`0000 0001`	`1`
`1011 0111`	`0110 1111`	`1`
`0101 1101`	`1011 1010`	`0`

Příklad ROTR

A	OUT	COUT
`0000 0001`	`1000 0000`	`1`
`1000 0000`	`0100 0000`	`0`
`1011 0111`	`1101 1011`	`1`
`0101 1101`	`1010 1110`	`1`

Sčítačka

Sčítačka by měla být schopna provést více operací, jedná se o následující.

ADD - sčítání
SUB - odčítání
INC - inkrement (A + 1)
DEC - dekrement (A - 1)

Násobení

Bonusově můžete dodělat násobení neboli MUL. Zde se výsledek rozděluje na dva výstupy a to horní část HOUT a dolní část OUT.

MUL - násobení

APS Skripta